集成微腔中的激光技術(shù)研究文獻(xiàn)綜述作為形成激光的三大必要條件之一，光學(xué)微腔在低閾值激光器上有重大研究進(jìn)展。尤其是近幾年火熱的鈣鈦礦材料，它在光電應(yīng)用上表現(xiàn)出諸多優(yōu)異特性，例如單晶缺陷密度低[120,121]、吸收系數(shù)高[122]、載流子擴(kuò)散距離長[123]以及波長可調(diào)諧等。利用簡單的溶液法即可完成對鈣鈦礦單晶的生長，由于材料本身具有增益特性且晶體的形狀構(gòu)成了簡易的光學(xué)諧振腔，使得鈣鈦礦成為研究微納激光器的重要對象。鈣鈦礦單晶可以自主形成多種不同形狀的腔體，最常見的有方形片狀、納米線、微米線、微球等。2015年首都師范大學(xué)Fu課題組利用一步溶液法合成出大量的方形鈣鈦礦單晶[124]，該形狀的腔體容易形成四次反射的WGM激光。同一時(shí)期，哥倫比亞大學(xué)Zhu等人利用溶液法合成出高質(zhì)量的鈣鈦礦納米線[125]，在飛秒激光的泵浦下，線狀腔體內(nèi)形成FP模式激光出射。由于納米線單晶質(zhì)量高，出射激光的閾值低達(dá)220nJ/cm2，Q值達(dá)到3600。2016年湖南大學(xué)Pan團(tuán)隊(duì)采用氣相沉積的辦法，制備出截面呈三角形的納米線[126]。改變沉積前的反應(yīng)物種類，可以實(shí)現(xiàn)415-673nm的激光出射。2017年哈爾濱工業(yè)大學(xué)Song團(tuán)隊(duì)利用溶液法制備出純無機(jī)鈣鈦礦微米線，由于微米線的腔體結(jié)構(gòu)特殊，既能形成沿長軸方向諧振的FP模式激光，又能在某一截面處形成面內(nèi)的WGM激光，改變飛秒激光泵浦的位置，可以實(shí)現(xiàn)兩種不同模式的激光出射[127]。因?yàn)榫w缺陷密度低且截面內(nèi)的WGM損耗小，測量到該模式激光的Q值高達(dá)7000。圖111鈣鈦礦微球腔出射激光[128]Figure111Thelaseremittedfromperovskitemicrospheres[128]a,c)兩個(gè)微球的輻射激光光譜a,c)Laserspectraemittedfromtwomicrospheresb,d)對應(yīng)的數(shù)值仿真場分布b,d)Thecorrespondingnumericalsimulationsoffielddistributions2020年中科院研究人員采用化學(xué)氣相沉積的辦法制備出無機(jī)鈣鈦礦微球[128]，微球的直徑從500nm到2μm不等。科研人員利用微納操作將兩個(gè)不同尺寸的微球轉(zhuǎn)移到一起，間距約30nm。當(dāng)同時(shí)泵浦兩個(gè)微球并出射激光時(shí)，兩者發(fā)生耦合存在游標(biāo)效應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)線偏振、單縱模激光出射，如圖1-11所示。圖112大規(guī)模陣列鈣鈦礦微納激光器的制備[131]Figure112Fabricationoflarge-scalearraysofperovskitemicrolasers[131]陣列排布的集成微腔在激光顯示上具有重大應(yīng)用價(jià)值。2016年首都師范大學(xué)Fu課題組提出用溶液限制生長法一次性大批量合成出鈣鈦礦單晶陣列[129]。首先制備一個(gè)硅基的圓柱陣列作為微納模具，將聚二甲基硅氧烷懸涂在上表面，加熱使其凝固后得到一個(gè)圓孔陣列模板，將模板壓在涂有鈣鈦礦溶液的基底上，限制在圓孔陣列中的鈣鈦礦溶液最終成核結(jié)晶形成鈣鈦礦單晶陣列。通過改變?nèi)芤褐宣u族元素，該辦法實(shí)現(xiàn)了426nm-527nm的陣列激光出射。同年，南洋理工大學(xué)研究人員提出在二氧化硅基底上轉(zhuǎn)移一層六方氮化硼薄膜[130]，對薄膜進(jìn)行光刻和刻蝕，得到設(shè)計(jì)好的圖形陣列，再利用物理氣相沉積的工藝在其上生長鈣鈦礦單晶。陣列排布的氮化硼能夠幫助鈣鈦礦單晶成核并且起到覆蓋層的作用。改變氮化硼基本單元的大小可以控制鈣鈦礦晶體的尺寸，最終可以實(shí)現(xiàn)波長可調(diào)諧的陣列激光出射。2019年俄羅斯研究人員提出在鈣鈦礦薄膜上，利用圓形激光光束直寫，精確制備出鈣鈦礦微納激光器陣列[131]，如圖1-12所示。相對傳統(tǒng)的溶液法合成，該方法能精確控制微腔的尺寸，實(shí)現(xiàn)高速、大批量、重復(fù)性高的微納制備。為了將鈣鈦礦微腔出射的激光應(yīng)用到光子集成回路，科研人員做了一系列研究?？紤]光纖是光通信系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的傳輸媒介，將鈣鈦礦微腔出射的激光和光纖高效率的耦合必將推進(jìn)其進(jìn)一步發(fā)展。2016年哈爾濱工業(yè)大學(xué)Song課題組提出微納轉(zhuǎn)移的辦法，將鈣鈦礦納米線轉(zhuǎn)移至單模拉錐光纖上[132]。納米線經(jīng)泵浦出射激光，可以高效的耦合進(jìn)光纖。為了和傳統(tǒng)方法對比，科研人員用一個(gè)40倍數(shù)值孔徑為0.6的物鏡從上方采集光譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明從光纖兩端采集到的光譜強(qiáng)度比物鏡采集高一個(gè)數(shù)量級，顯示出該方法的優(yōu)越性。同年，該課題組優(yōu)化了鈣鈦礦單晶生長工藝，能夠生長出片狀和線狀相連的混合體[133]。通過泵浦片狀單晶，鈣鈦礦出射的激光能從側(cè)面線狀單晶傳輸至末端。然而，可控且穩(wěn)定生長是該方法面臨的最主要挑戰(zhàn)。2017年德國科研人員利用氮化硅在可見光波段吸收低，實(shí)現(xiàn)與鈣鈦礦微腔出射激光耦合輸出[134]。制備一根氮化硅波導(dǎo)，鍍上一層二氧化硅，通過微納加工在二氧化硅層刻蝕出跑道型微腔溝道，將鈣鈦礦溶液旋涂進(jìn)溝道，形成鈣鈦礦微環(huán)諧振腔，如圖1-13所示。通過控制刻蝕深度，利用垂直耦合將鈣鈦礦出射的WGM激光耦合進(jìn)波導(dǎo)輸出。圖113氮化硅波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)鈣鈦礦激光耦合輸出[134]Figure113Theperovskitelasercoupledoutbysiliconnitridewaveguide[134]a)跑道型鈣鈦礦激光器的示意圖a)Sketchoftheracetrackperovskitelaserb)耦合區(qū)域的橫截面b)Crosssectionofthecouplingarea2018年該課題組又采用全刻蝕鈣鈦礦微盤腔的工藝，精確控制垂直耦合參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了閾值低達(dá)4.7μJ/cm2的激光高效率輸出[135]，如圖1-14所示。圖114參數(shù)精確可控的氮化硅波導(dǎo)與鈣鈦礦激光耦合輸出[135]Figure114Coupledoutputofsiliconnitridewaveguideandperovskitelaserwithpreciseandcontrollableparameters[135]a)鈣鈦礦微盤與氮化硅波導(dǎo)耦合示意圖a)Sketchofaperovskitemicrodiskcoupledwithsiliconnitridewaveguideb)微盤與波導(dǎo)耦合區(qū)域的橫截面b)Crosssectionofthemicrodiskcoupledwithwaveguide2016年中科院化學(xué)所Zhao研究團(tuán)隊(duì)提出以銀納米線為核生長鈣鈦礦單晶，最終形成鈣鈦礦單晶與銀納米線的混合體，即每根銀納米線嵌在鈣鈦礦單晶中[136]。泵浦鈣鈦礦單晶出射激光，銀納米線會形成金屬等離子體共振，從而能夠讓激光沿著銀納米線傳輸至末端，如圖1-15所示。圖115鈣鈦礦與銀納米線的異質(zhì)結(jié)構(gòu)[136]Figure115TheheterostructureofperovskiteandAgnanowires[136]a)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電鏡照片a)TheSEMoftheperovskite/Agnanowireheterostructureb)異質(zhì)結(jié)構(gòu)的明場與發(fā)光照片b)Thebrightfieldandluminescenceimagesoftheheterostructure然而，由于金屬在可見光波段具有很高的損耗，利用金屬波導(dǎo)傳輸激光的長度大大受限。另外，銀作為貴金屬會與鈣鈦礦發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其發(fā)光性能也受到很大影響。圖116鈣鈦礦與磷化鎵結(jié)構(gòu)的激光特性[137]Figure116Thelasingpropertiesofaperovskite-GaPphotonicdesign[137]a)鈣鈦礦與磷化鎵異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電鏡照片a)TheSEMoftheperovskite-GaPheterostructurec)不同泵浦能量下的鈣鈦礦輻射光譜c)Theemittedspectraofperovskiteunderdifferentpumpdensitiesb)異質(zhì)結(jié)構(gòu)出射激光的測量方案b)Schemeofexperimentonlasingfromtheheterostructured)光譜強(qiáng)度和半高寬與泵浦能量的關(guān)系d)DependenceoftheemissionintensityandFWHMonthepumpdensities為此，俄羅斯研究人員在2020年提出利用磷化鎵納米線取代銀納米線和無機(jī)鈣鈦礦結(jié)合[137]，如圖1-16所示。選擇磷化銦納米線有以下幾點(diǎn)原因：第一，磷化銦具有很高的折射率，在550nm折射率高達(dá)3.45，在0.5-11μm波長范圍內(nèi)具有很低的損耗，因此磷化銦波導(dǎo)能很好的將光限制在其中并實(shí)現(xiàn)有效的傳輸；第二，磷化銦具有很高的熱導(dǎo)系數(shù)。第三，磷化銦性質(zhì)極其穩(wěn)定。得益于以上三大優(yōu)點(diǎn)，磷化銦波導(dǎo)成功將鈣鈦礦單晶出射的激光采集并實(shí)現(xiàn)高達(dá)20μm的傳輸距離。參考文獻(xiàn)LeeH-K,ChoH-S,KimJ-Y,etal.AWDM-PONwithan80Gb/sCapacityBasedonWavelength-LockedFabry-PerotLaserDiode[J].OpticsExpress,2010,18(17):18077-18085.LinG-R,LiaoY-S,ChiY-C,etal.Long-CavityFabry-PerotLaserAmplifierTransmitterwithEnhancedInjection-LockingBandwidthforWDM-PONApplication[J].JournalofLightwaveTechnology,2010,28(20):2925-2932.MondalS,RoycroftB,LambkinP,etal.AMultiwavelengthLow-PowerWavelength-LockedSlottedFabry-PerotLaserSourceforWDMApplications[J].IEEEPhotonicsTechnologyLetters,2007,19(10):744-746.ShihFY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